Mise au point d’un outil d’étude des cinétiques de dégradation anaérobie

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2. Outils expérimentaux pour l’étude de la biodégradabilité anaérobie des substrats

2.2. Mise au point d’un outil d’étude des cinétiques de dégradation anaérobie

2.2.1. Description de l’outil expérimental

Les tests de potentiels méthanogènes classiques comme présentés précédemment ne permettent pas un suivi précis des cinétiques de dégradation. Outre l’imprécision en termes de dynamique liée au suivi manuel, une des principales causes est un ratio substrat/inoculum trop important. En effet, dans ces conditions, la vitesse de production de méthane observée n’est pas directement liée à la cinétique de dégradation du substrat mais à des phénomènes de croissance de biomasse qui jouent un rôle limitant très important.

Pour que le suivi de la vitesse de production de méthane en tests batch puisse être considéré comme un suivi indirect de la cinétique de dégradation du substrat, il faut appliquer des ratios substrats/inoculum environ 10 fois plus faibles que pour la détermination des potentiels méthanogènes (Yasui et al., 2009). Ainsi, pour assurer un suivi de précision et de résolution temporelle suffisante la mise au point d’un banc de 8 réacteurs batch sur lesquels la vitesse de production de biogaz est suivie en continu a été réalisée. La méthode de caractérisation des substrats associée à ces tests est appelée « respirométrie anaérobie » par analogie avec la respirométrie aérobie dont elle est inspirée (Yasui et al., 2008 & 2009).

Ces réacteurs batch ont un volume d’environ 1,5L. Ils sont munis d’agitateurs magnétiques et placés dans une étuve en conditions mésophiles. Le suivi de la vitesse de production de biogaz sur chaque réacteur et la commande des différents équipements sont assurés par un ordinateur sur lequel un programme d’automatisation sous Scilab© a été développé. La vitesse de production de biogaz est suivie par une mesure manométrique

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(Vegabar 14). Quand la surpression dans l’espace de tête des réacteurs atteint 50mbar, une électrovanne montée sur le réacteur s’ouvre. La vitesse de production de biogaz moyenne depuis la dernière ouverture de l’électrovanne est calculée à l’aide de la différence de pression mesurée et du temps écoulé depuis la dernière ouverture de l’électrovanne. Le biogaz en excès est expulsé vers une poche à gaz dont le contenu est régulièrement analysé en chromatographie en phase gazeuse. Ceci permet de déterminer la concentration en méthane du biogaz produit et d’en déduire une mesure de la vitesse de production de méthane à partir des mesures de vitesse de production de biogaz.

Figure 21 : Banc de réacteurs batch pour le suivi continu des vitesses de production de biogaz (gauche) et détail d'un réacteur (droite).

Au cours de chaque série de tests, les réacteurs sont premièrement remplis d’1L d’inoculum. Après une journée de stabilisation de la production de méthane sur chaque réacteur, les substrats étudiés sont ajoutés. Après chaque ouverture des réacteurs, l’espace de tête des réacteurs est renouvelé avec un mélange d’azote (70%) et de dioxyde de carbone (30%). Ceci permet de placer le liquide en conditions anaérobies sans trop perturber les équilibres de concentration du CO2 entre l’atmosphère gazeuse et le milieu liquide.

Afin d’assurer les besoins en inoculum qui seront constants tout au long de ce travail de thèse, un digesteur de type CSTR d’un volume utile de 87L a été mis en place (voir Figure 22) en collaboration avec d’autres travaux (voir Figure 22). Il est alimenté avec un mélange

Agitateur magnétique

Bouchon d’accès

Manomètre Electrovanne (sortie du

biogaz stocké dans des sacs pour analyses)

Cuve en verre

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de lisier de porc et d’aliment pour chevaux. Le temps de séjour hydraulique appliqué est de 27 jours et la charge organique appliquée de 3.9 kgDCO.m-3.j-1. Ceci a permis de disposer d’un inoculum connu et dont les propriétés étaient stables tout au long de ce travail de thèse.

Figure 22: Digesteur de type CSTR mis en place pour assurer une fourniture en inoculum stable tout au long du travail de thèse.

2.2.2. Validation de la méthode et de l’appareil

Pour mettre au point le banc de respiromètres anaérobies, la justesse, la répétabilité et la reproductibilité ont été testées sur les résultats obtenus en termes de production de biogaz.

Ces tests ont été réalisés sur la cinétique de biodégradation de l’acétate. Ainsi, un pulse le 3gO2.Linoculum -1

d’acétate a été réalisé dans 1L d’inoculum provenant du digesteur de type CSTR décrit en 2.2.1.

2.2.2.1. Justesse de la mesure

Pour vérifier la justesse de la mesure de production de méthane, des bilans matières ont été réalisés entre le début et la fin de l’expérimentation. Pour cela, la production de méthane mesurée est comparée à celle estimée en fonction de la DCO dégradée au cours du test selon la formule suivante :

Cuve hermétique Trémie d’alimentation Bain thermostaté

(Régulation de température) Sondes pour le suivi

du pH et du potentiel Compteur à gaz volumétrique

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VCH4_théorique= (DCOinitiale-DCOfinale+DCOintroduite)*350NmlCH4.gDCOdégradée-1

Avec : VCH4_théorique : le volume théorique de méthane produit en Nml - DCOinitiale : la DCO introduite avec l’inoculum (gO2)

- DCOintroduite : la DCO introduite avec l’acétate (gO2)

- DCOfinale : la DCO contenue dans le réacteur en fin d’expérimentation (gO2)

Ceci permet de vérifier qu’il n’y a pas de fuites significatives sur le système et aussi que la méthode de calcul de la production de méthane est juste.

On constate que, sur les 8 réacteurs, la différence entre les volumes théoriques et ceux mesurés est comprise entre 10,2 et 21,4% du volume calculé avec une moyenne à 15,1%.

Cette différence peut s’expliquer par l’incertitude sur les mesures de DCO qui ont un impact important sur le calcul du volume théorique produit du fait de la prise en compte de plusieurs mesures. Ainsi, ces résultats permettent de valider la méthode de mesure de la production de méthane sur les réacteurs.

2.2.2.2. Répétabilité des résultats obtenus sur les 8 réacteurs

A ce stade, les données issues du suivi de la vitesse de production de biogaz sur les 8 réacteurs suite à l’ajout d’acétate dans l’inoculum sont comparées pour tester la répétabilité des résultats obtenus sur les 8 réacteurs. Les résultats obtenus sont présentés en Figure 23 et Figure 24.

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Figure 23: Evolution des vitesses de production de biogaz sur les 8 réacteurs après l'ajout d'acétate.

Figure 24: Vitesse de production de biogaz moyenne et CV obtenu entre vitesses de production de biogaz observées sur les 8 réacteurs suite à l'ajout d'acétate.

de CO2 dissout important en début de test du fait que, sur ces premiers tests, l’atmosphère des réacteurs était renouvelée avec du N2 pur.

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Le CV moyen entre les vitesses de production de biogaz mesurées sur les 8 réacteurs est de 11%. Mais en réalité, des variations importantes sont observées en début et fin de pic de production de biogaz du fait d’un décalage dans le temps de quelques heures entre les 8 pics de productions. En dehors de ces zones critiques, le CV entre les vitesses mesurées sur les 8 réacteurs est en moyenne de 5%. En complément, le CV sur les volumes totaux de biogaz produits au cours du test est de 3%.

Ces résultats montrent une bonne répétabilité des résultats obtenus sur les huit réacteurs.

2.2.2.3. Reproductibilité

La reproductibilité des résultats obtenus lors de deux ajouts de substrat successifs sur une même boue a été testée. Pour cela, deux ajouts d’acétate ont été effectués successivement sur un même inoculum3. Les résultats obtenus sont présentés en Figure 25.

Figure 25: Evolution des vitesses de production de biogaz sur les 8 réacteurs pour deux ajouts successifs d'acétate.

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Il apparaît que les résultats obtenus pour le second ajout d’acétate présentent une très forte variabilité et que les résultats obtenus sur certains réacteurs diffèrent significativement de ceux obtenus sur le premier ajout de substrat.

Plusieurs hypothèses pourraient expliquer ce phénomène : un problème d'agitation lors du deuxième ajout

un mauvais ou un inefficace renouvellement de l'atmosphère lors du deuxième ajout une différence de température entre les réacteurs lors du deuxième ajout

une évolution différente de la biomasse lors du deuxième ajout

Des tests ultérieurs ont été réalisés pour tester les trois premières hypothèses sans succès (résultats qualitativement identiques obtenus sans agitation, concentration en oxygène inférieure à 1% dans l’espace de tête après renouvellement de l’atmosphère, variations de température inférieures à 0.8°C). Ainsi, la non-reproductibilité observée pourrait être liée à une évolution différente des biomasses méthanogènes entre les 8 réacteurs.

Même si cette hypothèse reste à vérifier, pour garantir une répétabilité satisfaisante sur les résultats, un seul ajout de substrat sera réalisé par la suite sur un même inoculum.

Ainsi, malgré quelques incertitudes sur les bilans dues à des imprécisions analytiques, le banc d'essai permet de produire des résultats justes, répétables à condition de ne réaliser qu'un seul ajout de substrat sur un même inoculum.

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